Уравнение плоскости. Как составить уравнение плоскости?
Взаимное расположение плоскостей. Задачи

Пространственная геометрия не намного сложнее «плоской» геометрии, и наши полёты в пространстве начинаются с данной статьи. Для усвоения темы необходимо хорошо разобраться в векторах , кроме того, желательно быть знакомым с геометрией плоскости – будет много похожего, много аналогий, поэтому информация переварится значительно лучше. В серии моих уроков 2D-мир открывается статьёй Уравнение прямой на плоскости . Но сейчас Бэтмен сошёл с плоского экрана телевизора и стартует с космодрома Байконур.

Начнём с чертежей и обозначений. Схематически плоскость можно нарисовать в виде параллелограмма, что создаёт впечатление пространства:

Плоскость бесконечна, но у нас есть возможность изобразить лишь её кусочек. На практике помимо параллелограмма также прорисовывают овал или даже облачко. Мне по техническим причинам удобнее изображать плоскость именно так и именно в таком положении. Реальные плоскости, которые мы рассмотрим в практических примерах, могут располагаться как угодно – мысленно возьмите чертёж в руки и покрутите его в пространстве, придав плоскости любой наклон, любой угол.

Обозначения : плоскости принято обозначать маленькими греческими буквами , видимо, чтобы не путать их с прямой на плоскости или с прямой в пространстве . Я привык использовать букву . На чертеже именно буква «сигма», а вовсе не дырочка. Хотя, дырявая плоскость, это, безусловно, весьма забавно.

В ряде случаев для обозначения плоскостей удобно использовать те же греческие буквы с нижними подстрочными индексами, например, .

Очевидно, что плоскость однозначно определяется тремя различными точками, не лежащими на одной прямой. Поэтому достаточно популярны трёхбуквенные обозначения плоскостей – по принадлежащим им точкам, например, и т.д. Нередко буквы заключают в круглые скобки: , чтобы не перепутать плоскость с другой геометрической фигурой.

Для опытных читателей приведу меню быстрого доступа :

• Как составить уравнение плоскости по точке и двум векторам?
• Как составить уравнение плоскости по точке и вектору нормали?

и мы не будем томиться долгими ожиданиями:

Общее уравнение плоскости

Общее уравнение плоскости имеет вид , где коэффициенты одновременно не равны нулю.

Ряд теоретических выкладок и практических задач справедливы как для привычного ортонормированного базиса, так и для аффинного базиса пространства (если масло - масляное, вернитесь к уроку Линейная (не) зависимость векторов. Базис векторов ). Для простоты будем полагать, что все события происходят в ортонормированном базисе и декартовой прямоугольной системе координат.

А теперь немного потренируем пространственное воображение. Ничего страшного, если у вас оно плохое, сейчас немного разовьём. Даже для игры на нервах нужны тренировки.

В самом общем случае, когда числа не равны нулю, плоскость пересекает все три координатные оси. Например, так:

Ещё раз повторю, что плоскость бесконечно продолжается во все стороны, и у нас есть возможность изобразить только её часть.

Рассмотрим простейшие уравнения плоскостей:

Как понимать данное уравнение? Вдумайтесь: «зет» ВСЕГДА, при любых значениях «икс» и «игрек» равно нулю. Это уравнение «родной» координатной плоскости . Действительно, формально уравнение можно переписать так: , откуда хорошо видно, что нам по барабану, какие значения принимают «икс» и «игрек», важно, что «зет» равно нулю.

Аналогично:
– уравнение координатной плоскости ;
– уравнение координатной плоскости .

Немного усложним задачу, рассмотрим плоскость (здесь и далее в параграфе предполагаем, что числовые коэффициенты не равны нулю). Перепишем уравнение в виде: . Как его понимать? «Икс» ВСЕГДА, при любых значениях «игрек» и «зет» равно некоторому числу . Эта плоскость параллельна координатной плоскости . Например, плоскость параллельна плоскости и проходит через точку .

Аналогично:
– уравнение плоскости, которая параллельна координатной плоскости ;
– уравнение плоскости, которая параллельна координатной плоскости .

Добавим членов: . Уравнение можно переписать так: , то есть «зет» может быть любым. Что это значит? «Икс» и «игрек» связаны соотношением , которое прочерчивает в плоскости некоторую прямую (узнаёте уравнение прямой на плоскости ?). Поскольку «зет» может быть любым, то эта прямая «тиражируется» на любой высоте. Таким образом, уравнение определяет плоскость, параллельную координатной оси

Аналогично:
– уравнение плоскости, которая параллельна координатной оси ;
– уравнение плоскости, которая параллельна координатной оси .

Если свободные члены нулевые, то плоскости будут непосредственно проходить через соответствующие оси. Например, классическая «прямая пропорциональность»: . Начертите в плоскости прямую и мысленно размножьте её вверх и вниз (так как «зет» любое). Вывод: плоскость, заданная уравнением , проходит через координатную ось .

Завершаем обзор: уравнение плоскости проходит через начало координат. Ну, здесь совершенно очевидно, что точка удовлетворяет данному уравнению.

И, наконец, случай, который изображён на чертеже: – плоскость дружит со всеми координатными осями, при этом она всегда «отсекает» треугольник, который может располагаться в любом из восьми октантов.

Линейные неравенства в пространстве

Для понимания информации необходимо хорошо изучить линейные неравенства на плоскости , поскольку многие вещи буду похожи. Параграф будет носить краткий обзорный характер с несколькими примерами, так как материал на практике встречается довольно редко.

Если уравнение задаёт плоскость, то неравенства
задают полупространства . Если неравенство нестрогое (два последних в списке), то в решение неравенства кроме полупространства входит и сама плоскость.

Пример 5

Найти единичный нормальный вектор плоскости .

Решение : Единичный вектор – это вектор, длина которого равна единице. Обозначим данный вектор через . Совершенно понятно, что векторы коллинеарны:

Сначала из уравнения плоскости снимем вектор нормали: .

Как найти единичный вектор? Для того чтобы найти единичный вектор , нужно каждую координату вектора разделить на длину вектора .

Перепишем вектор нормали в виде и найдём его длину:

Согласно вышесказанному:

Ответ :

Проверка: , что и требовалось проверить.

Читатели, которые внимательно изучили последний параграф урока , наверное, заметили, что координаты единичного вектора – это в точности направляющие косинусы вектора :

Отвлечёмся от разобранной задачи: когда вам дан произвольный ненулевой вектор , и по условию требуется найти его направляющие косинусы (см. последние задачи урока Скалярное произведение векторов ), то вы, по сути, находите и единичный вектор, коллинеарный данному. Фактически два задания в одном флаконе.

Необходимость найти единичный вектор нормали возникает в некоторых задачах математического анализа.

С выуживанием нормального вектора разобрались, теперь ответим на противоположный вопрос:

Как составить уравнение плоскости по точке и вектору нормали?

Эту жёсткую конструкцию вектора нормали и точки хорошо знает мишень для игры в дартс. Пожалуйста, вытяните руку вперёд и мысленно выберите произвольную точку пространства, например, маленькую кошечку в серванте. Очевидно, что через данную точку можно провести единственную плоскость, перпендикулярную вашей руке.

Уравнение плоскости, проходящей через точку перпендикулярно вектору , выражается формулой:

Вектор нормали

Плоская поверхность с двумя нормалями

В дифференциальной геометрии , нормаль - это прямая , ортогональная (перпендикулярная) касательной прямой к некоторой кривой или касательной плоскости к некоторой поверхности . Также говорят о нормальном направлении .

Вектор нормали к поверхности в данной точке - это единичный вектор , приложенный к данной точке и параллельный направлению нормали. Для каждой точки гладкой поверхности можно задать два нормальных вектора, отличающихся направлением. Если на поверхности можно задать непрерывное поле нормальных векторов, то говорят, что это поле задает ориентацию поверхности (то есть выделяет одну из сторон). Если этого сделать нельзя, поверхность называется неориентируемой .

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Вектор нормали" в других словарях:

вектор нормали - normalės vektorius statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. normal vector vok. Normalenvektor, m rus. вектор нормали, m pranc. vecteur de la normale, m; vecteur normal, m … Fizikos terminų žodynas

Эта статья или раздел нуждается в переработке. Пожалуйста, улучшите статью в соответствии с правилами написания статей. Вектор Дарбу направляющий вектор мгновенной оси вращения, вокруг которой сопровождающий триэдр кривой L поворачивается при… … Википедия

Электродинамика сплошных сред Электродинамика сплошных сред … Википедия

Вектор Дарбу направляющий вектор мгновенной оси вращения, вокруг которой сопровождающий триэдр кривой L поворачивается при равномерном движении точки M по кривой L. Вектор Дарбу лежит в спрямляющей плоскости кривой L и выражается через единичные… … Википедия

Градиент (от лат. gradiens, род. падеж gradientis шагающий), вектор, показывающий направление наискорейшего изменения некоторой величины, значение которой меняется от одной точки пространства к другой (см. Поля теория). Если величина выражается… …

Направляющий вектор d мгновенной оси вращения, вокруг к рой сопровождающий триэдр кривой Lповорачивается при равномерном движении точки Мпо кривой L. Д. в. лежит в спрямляющей плоскости кривой Lи выражается через единичные векторы главной нормали … Математическая энциклопедия

Эта статья или раздел нуждается в переработке. Пожалуйста, улучшите статью в соответствии с правилами написания статей. Гиперповерх … Википедия

Графический конвейер аппаратно программный комплекс визуализации трёхмерной графики. Содержание 1 Элементы трехмерной сцены 1.1 Аппаратные средства 1.2 Программные интерфейсы … Википедия

Математическая дисциплина, в которой изучают свойства операций над Векторами евклидова пространства. При этом понятие вектора представляет собой математическую абстракцию величин, характеризующихся не только численным значением, но и… … Большая советская энциклопедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Плоскость. Сюда перенаправляется запрос «Плоскостность». На эту тему нужна отдельная статья … Википедия

Способы задания плоскости.

Взаимное расположение плоскостей.

Две плоскости в пространстве могут совпадать. В этом случае они имеют, по крайней мере, три общие точки.

Две плоскости в пространстве могут пересекаться. Пересечением двух плоскостей является прямая линия, что устанавливается аксиомой: если две плоскости имеют общую точку, то они имеют общую прямую, на которой лежат все общие точки этих плоскостей.

В этом случае возникает понятие угла между пересекающимися плоскостями. Отдельный интерес представляет случай, когда угол между плоскостями равен девяноста градусам. Такие плоскости называют перпендикулярными.

Наконец, две плоскости в пространстве могут быть параллельными, то есть, не иметь общих точек.

Также интересны случаи, когда несколько плоскостей пересекаются по одной прямой и несколько плоскостей пересекаются в одной точке.

Перечислим основные способы задания конкретной плоскости в пространстве.

Во-первых, плоскость можно задать, зафиксировав три не лежащие на одной прямой точки пространства. Этот способ основан на аксиоме: через любые три точки, не лежащие на одной прямой, проходит единственная плоскость.

Если в трехмерном пространстве зафиксирована прямоугольная система координат и задана плоскость с помощью указания координат трех ее различных точек, не лежащих на одной прямой, то мы можем написать уравнение плоскости, проходящей через три заданные точки.

Два следующих способа задания плоскости являются следствием из предыдущего. Они основаны на следствиях из аксиомы о плоскости, проходящей через три точки:

· через прямую и не лежащую на ней точку проходит плоскость, притом только одна;

· через две пересекающиеся прямые проходит единственная плоскость.

Четвертый способ задания плоскости в пространстве основан на определении параллельных прямых. Напомним, что две прямые в пространстве называются параллельными, если они лежат в одной плоскости и не пересекаются. Таким образом, указав две параллельные прямые в пространстве, мы определим единственную плоскость, в которой эти прямые лежат.

Если в трехмерном пространстве относительно прямоугольной системы координат задана плоскость указанным способом, то мы можем составить уравнение плоскости, проходящей через две параллельные прямые.

Признак параллельности двух плоскостей дает нам еще один способ задания плоскости. Вспомним формулировку этого признака: если две пересекающиеся прямые одной плоскости соответственно параллельны двум прямым другой плоскости, то такие плоскости параллельны. Следовательно, мы можем задать конкретную плоскость, если укажем точку, через которую она проходит и плоскость, которой она параллельна.

В курсе средней школы на уроках геометрии доказывается следующая теорема: через фиксированную точку пространства проходит единственная плоскость, перпендикулярная к данной прямой. Таким образом, мы можем задать плоскость, если укажем точку, через которую она проходит, и прямую, перпендикулярную к ней.

Если в трехмерном пространстве зафиксирована прямоугольная система координат и задана плоскость указанным способом, то можно составить уравнение плоскости, проходящей через заданную точку перпендикулярно к заданной прямой.

Вместо прямой, перпендикулярной к плоскости, можно указать один из нормальных векторов этой плоскости. В этом случае есть возможность написать общее уравнение плоскости.

Хорошее представление о прямой линии начинается с момента, когда вместе с ее образом одновременно возникают образы ее направляющих и нормальных векторов. Аналогично, при упоминании о плоскости в пространстве, она должна представляться вместе со своим нормальным вектором. Почему так? Да потому что во многих случаях удобнее использовать нормальный вектор плоскости, чем саму плоскость.

Сначала дадим определение нормального вектора плоскости, приведем примеры нормальных векторов и необходимые графические иллюстрации. Далее поместим плоскость в прямоугольную систему координат в трехмерном пространстве и научимся определять координаты нормального вектора плоскости по ее уравнению.

2.1. Нормальный вектор плоскости – определение, примеры, иллюстрации.

Определение. Нормальный вектор плоскости - это любой ненулевой вектор, лежащий на прямой перпендикулярной к данной плоскости.

Из определения следует, что существует бесконечное множество нормальных векторов данной плоскости.

Так как все нормальные векторы заданной плоскости лежат на параллельных прямых, то все нормальные векторы плоскости коллинеарны. Другими словами, если - нормальный вектор плоскости , то вектор при некотором ненулевом действительном значении t также является нормальным вектором плоскости .

Также следует заметить, что любой нормальный вектор плоскости можно рассматривать как направляющий вектор прямой, перпендикулярной к этой плоскости.

Множества нормальных векторов параллельных плоскостей совпадают, так как прямая, перпендикулярная к одной из параллельных плоскостей, перпендикулярна и ко второй плоскости.

Из определения перпендикулярных плоскостей и определения нормального вектора плоскости следует, что нормальные векторы перпендикулярных плоскостей перпендикулярны.

Пример нормального вектора плоскости. Пусть в трехмерном пространстве зафиксирована прямоугольная система координат Oxyz. Координатные векторы являются нормальными векторами плоскостей Oyz, Oxz и Oxy соответственно. Это действительно так, потому что векторы ненулевые и лежат на координатных прямых Ox, Oy и Oz соответственно, которые перпендикулярны координатным плоскостям Oyz, Oxz и Oxy соответственно.

2.2. Координаты нормального вектора плоскости – нахождение координат нормального вектора плоскости по уравнению плоскости.

Найдем координаты нормального вектора плоскости, если известно уравнение плоскости в прямоугольной системе координат Oxyz.

Общее уравнение плоскости вида определяет в прямоугольной системе координат Oxyz плоскость, нормальным вектором которой является вектор . Таким образом, чтобы найти координаты нормального вектора плоскости нам достаточно иметь перед глазами общее уравнение этой плоскости.

Пример. Найдите координаты какого-либо нормального вектора плоскости .

Решение. Нам дано общее уравнение плоскости, коэффициенты перед переменными x, y и z представляют собой соответствующие координаты нормального вектора этой плоскости. Следовательно, - один из нормальных векторов заданной плоскости. Множество всех нормальных векторов этой плоскости можно задать как , где t - произвольное действительное число, отличное от нуля.

Пример. Плоскость задана уравнением . Определите координаты ее направляющих векторов.

Решение. Нам дано неполное уравнение плоскости. Чтобы стали видны координаты ее направляющего вектора, перепишем уравнение в виде . Таким образом, нормальный вектор этой плоскости имеет координаты , а множество всех нормальных векторов запишется как .

Уравнение плоскости в отрезках вида , как и общее уравнение плоскости, позволяет сразу записать один из нормальных векторов этой плоскости – он имеет координаты .

В заключении скажем, что с помощью нормального вектора плоскости могут быть решены различные задачи. Самыми распространенными являются задачи на доказательство параллельности или перпендикулярности плоскостей, задачи на составление уравнения плоскости, а также задачи на нахождение угла между плоскостями и на нахождение угла между прямой и плоскостью.

При изучении уравнений прямой линии на плоскости и в трехмерном пространстве мы опираемся на алгебру векторов. При этом особое значение имеют направляющий вектор прямой и нормальный вектор прямой. В этой статье мы подробно рассмотрим нормальный вектор прямой. Начнем с определения нормального вектора прямой, приведем примеры и графические иллюстрации. Следом перейдем к нахождению координат нормального вектора прямой по известным уравнениям прямой, при этом покажем подробные решения задач.

Навигация по странице.

Нормальный вектор прямой – определение, примеры, иллюстрации.

Для понимания материала Вам необходимо иметь четкое представление о прямой линии, о плоскости, а также знать основные определения, связанные с векторами. Поэтому рекомендуем сначала освежить в памяти материал статей прямая на плоскости , прямая в пространстве , представление о плоскости и .

Дадим определение нормального вектора прямой.

Определение.

Нормальный вектор прямой - это любой ненулевой вектор, лежащий на любой прямой перпендикулярной данной.

Из определения нормального вектора прямой понятно, что существует бесконечное множество нормальных векторов данной прямой.

Определение нормального вектора прямой и определение направляющего вектора прямой позволяют заключить, что любой нормальный вектор данной прямой перпендикулярен любому направляющему вектору этой прямой.

Приведем пример нормального вектора прямой.

Пусть на плоскости задана Oxy . Одним из множества нормальных векторов координатной прямой Ox является координатный вектор . Действительно, вектор ненулевой и лежит на координатной прямой Oy , которая перпендикулярна оси Ox . Множество всех нормальных векторов координатной прямой Ox в прямоугольной системе координат Oxy можно задать как .

В прямоугольной системе координат Oxyz в трехмерном пространстве нормальным вектором прямой Oz является вектор . Координатный вектор также является нормальным вектором прямой Oz . Очевидно, что любой ненулевой вектор, лежащий в любой плоскости, перпендикулярной оси Oz , будет нормальным вектором прямой Oz .

Координаты нормального вектора прямой – нахождение координат нормального вектора прямой по известным уравнениям этой прямой.

Если рассматривать прямую в прямоугольной системе координат Oxy , то ей будут соответствовать уравнение прямой на плоскости некоторого вида, а нормальные векторы прямой будут определяться своими координатами (смотрите статью ). При этом встает вопрос: «как найти координаты нормального вектора прямой, когда нам известно уравнение этой прямой»?

Найдем ответ на поставленный вопрос для прямых, заданных на плоскости уравнениями различного вида.

Если прямую линию на плоскости определяет общее уравнение прямой вида , то коэффициенты А и B представляют собой соответствующие координаты нормального вектора этой прямой.

Пример.

Найдите координаты какого-нибудь нормального вектора прямой .

Решение.

Так как прямая задана общим уравнением, то мы сразу можем записать координаты ее нормального вектора – ими являются соответствующие коэффициенты перед переменными x и y . То есть, нормальный вектор прямой имеет координаты .

Ответ:

Одно из чисел A или B в общем уравнении прямой может равняться нулю. Это не должно Вас смущать. Рассмотрим на примере.

Пример.

Укажите любой нормальный вектор прямой .

Решение.

Нам дано неполное общее уравнение прямой. Его можно переписать в виде , откуда сразу видны координаты нормального вектора этой прямой: .

Ответ:

Уравнение прямой в отрезках вида или уравнение прямой с угловым коэффициентом легко приводятся к общему уравнению прямой, откуда и находятся координаты нормального вектора этой прямой.

Пример.

Найдите координаты нормального вектора прямой .

Решение.

От уравнения прямой в отрезках очень легко перейти к общему уравнению прямой: . Следовательно, нормальный вектор этой прямой имеет координаты .

Ответ:

Если прямую определяет каноническое уравнение прямой на плоскости вида или параметрические уравнения прямой на плоскости вида , то координаты нормального вектора получить немного сложнее. Из этих уравнений сразу видны координаты направляющего вектора прямой - . Найти координаты нормального вектора этой прямой позволяет и .

Также можно получить координаты нормального вектора прямой, если привести каноническое уравнение прямой или параметрические уравнения прямой к общему уравнению. Для этого производят следующие преобразования:

Как способ предпочесть – решать Вам.

Покажем решения примеров.

Пример.

Найдите какой-нибудь нормальный вектор прямой .

Решение.

Направляющим вектором прямой является вектор . Нормальный вектор прямой перпендикулярен вектору , тогда и равно нулю: . Из этого равенства, придав n x произвольное ненулевое действительное значение, найдем n y . Пусть n x =1 , тогда , следовательно, нормальный вектор исходной прямой имеет координаты .

Второй способ решения.

Перейдем от канонического уравнения прямой к общему уравнению: . Теперь стали видны координаты нормального вектора этой прямой .

Ответ: